CN110132530B - 高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水动力学实验技术研究领域，更具体地，涉及一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，包括实验方腔、驱动装置及透空束状绕流式奇点影响消除装置；驱动装置位于实验方腔底部紧贴实验方腔内水体并用于驱动水体流动；透空束状绕流式奇点影响消除装置设于实验方腔底部沿驱动方向的两侧靠壁面处，并对奇点附近流体进行绕流偏转以消除实验方腔角点处速度间断的影响。通过透空束状绕流式奇点影响消除装置对奇点附近流体进行绕流偏转，弱化了该部分流体在实验方腔侧壁与驱动装置接触位置处速度间断的影响以消除速度奇点的影响，减少对方腔环流实验的不确定性影响。
Description
技术领域
本发明涉及水动力学实验技术研究领域，更具体地，涉及一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置。
背景技术
方腔环流是流体力学中的经典实验，也是计算流体力学中的经典算例，可以反映旋涡、复杂三维流动、紊流等复杂流体现象，由于其广泛的工业应用和科研价值，得到了各方面的广泛关注，因此，方腔环流实验的建设完备对于科学研究和工业应用都具有很高的价值。
通常在方腔环流实验中，通过驱动装置对实验方腔上表面流体进行驱动，往往存在两个问题。一是随着实验的进行，由于皮带附着水滴或者水流溅起，实验方腔内水体总量减少导致驱动皮带与水体间存在空隙，影响驱动效果。二是由于驱动皮带带动的上表面驱动流体具有较高的流速，然而在侧壁边界上由于紧靠边界，流速为零；因而在沿顶部驱动方向的方腔两侧壁与顶部水平面交界处存在速度突然由大变为零(或由零变大)的奇点构成的两条棱。于是在小范围内流体速度突变奇点，甚至流动反弹，造成实验较大误差；在研究和计算中也很难通过有效手段进行优化模拟，影响方腔环流实验的可行性。
现有技术中常采用方腔注水溢出，驱动皮带浸没于溢出水面的方法来解决问题一，但是高速运转的皮带造成溢出水面振荡也会引起方腔内实验的较大误差；采用圆弧面替代方腔两侧壁与顶部交界的两条棱来消除速度奇点的影响以解决问题二，但该方法不便于调控，针对不同雷诺数、不同强度的驱动流，固定圆弧面的改进实验方腔很难针对性地、有效地消除速度奇点的影响。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术中速度奇点影响的缺陷，提供一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，能对奇点的速度突变进行缓冲，消除速度奇点的影响，减少奇点因素对方腔环流实验的不确定性影响，突出方腔环流流场各阶旋涡相互影响转化的物理本质。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，包括实验方腔、驱动装置及透空束状绕流式奇点影响消除装置；驱动装置位于实验方腔底部紧贴实验方腔内水体并用于驱动水体流动；透空束状绕流式奇点影响消除装置设于实验方腔底部沿驱动方向的两侧靠壁面处，并对奇点附近流体进行绕流偏转以消除实验方腔角点处速度间断的影响。
驱动装置位于实验方腔底部，从实验方腔底部驱动流体流动，保证驱动装置与实验方腔水体间不存在空隙。
上述方案中，通过透空束状绕流式奇点影响消除装置对奇点附近流体进行绕流偏转，弱化了该部分流体在实验方腔侧壁与驱动装置接触位置处速度间断的影响以消除速度奇点的影响，减少对方腔环流实验的不确定性影响。
优选地，还包括设于实验方腔顶部的注水补水装置，注水补水装置与实验方腔顶部通过小孔连通。实验前通过注水补水装置进行注水使实验方腔内充满实验流体，实验中需要补水时以极慢的流速从小孔向实验方腔内补水，进而确保实验方腔内水量充足，水体与方腔顶部不存在空隙。
进一步优选地，注水补水装置与实验方腔顶部中心通过小孔连通，且小孔直径不超过实验方腔长度的1/50。小孔尺寸很小且位于实验方腔顶部中心，并且补水流速极慢，几乎不对水体产生扰动，对实验误差极小。
优选地，驱动装置包括电机、三个轴承及皮带，电机用于驱动轴承转动，皮带包覆于三个轴承上；皮带位于实验方腔底部紧贴实验方腔内水体。从实验方腔底部对实验方腔内水体进行驱动，保证驱动皮带与水体之间不存在空隙。
优选地，透空束状绕流式奇点影响消除装置包括多孔片状固定器、弹性丝及连接卡套装置，多个多孔片状固定器共轴等间隔排布且其轴线方向与驱动方向垂直，连接卡套装置用于将多孔片状固定器安装于实验方腔底部，多孔片状固定器上设有多个透空孔，弹性丝依次穿插每个多孔片状固定器上对应的透空孔以形成透空束状结构，且透空束状结构所在方向与驱动方向垂直。多孔片状固定器排布时所有的多孔片状固定器上的透空孔前后相对应；多孔片状固定器直径、厚度应远小于实验方腔的几何尺寸，减少对实验方腔主要流场的影响；透空孔均匀并中心对称地分布于多孔片状固定器上，透空孔尺寸与弹性丝尺寸匹配；弹性丝绷紧形成整体为细长圆柱体形状的透空束状结构，且每隔小段距离用多孔片状固定器以加固，使其具有很好的刚性和弹性，流体流过透空束状绕流式奇点影响消除装置时进行流体绕流、速度分解，但能量几乎不减少，弱化了该部分流体在实验方腔侧壁与驱动装置接触位置处速度间断的影响以消除速度奇点的影响，减少对方腔环流实验的不确定性影响。
进一步优选地，多孔片状固定器为多孔钢片固定器；弹性丝为一根直径不超过0.3mm的高强度不锈钢钢丝，并反复依次穿插每个多孔片状固定器上对应的透空孔以形成透空束状结构。步骤1、一根不锈钢钢丝穿过第一个多孔片状固定器上一个透空孔后，接着穿插进入第二个多孔片状固定器上对应的一个透空孔……穿插进入最后一个多孔片状固定器上对应的一个透空孔；步骤2、穿出后绕接最后一个多孔片状固定器上相邻的一个透空孔，接着穿插进入倒数第二个多孔片状固定器上对应的一个透空孔……穿插进入第一个多孔片状固定器上对应的一个透空孔；反复按照这两个穿插步骤穿插完所有的多孔片状固定器上所有的透空孔后固定弹性丝末端即可。
优选地，首尾两个多孔片状固定器嵌入实验方腔的壁面内，连接卡套装置用于将除首尾两个多孔片状固定器外的其余多孔片状固定器安装于实验方腔底部；且多孔片状固定器的直径远小于实验方腔的宽度。
若驱动装置驱动速度增大或应用于更大尺度的实验方腔，可以增加多孔片状固定器和对应连接卡套装置的数量，以保证弹性丝足够绷紧，细长圆柱体形状的透空束状结构几乎不会形变。多孔片状固定器上的透空孔数量及排布可以进行一系列设计，成为针对不同工况实验的可调控元件。弹性丝直径应不超过0.3mm，以保证对流体的扰动作用几乎不消耗流体的能量。
优选地，连接卡套装置与多孔片状固定器榫卯嵌套连接。榫卯嵌套连接是在两个构件上采用凹凸部位相结合的一种连接方式，凸出部分叫榫，凹进部分叫卯，利用卯榫加固物件，在物件上不使用钉子，这样设置便于两者的固定连接。
优选地，连接卡套装置为圆形卡口结构。连接卡套装置为尺寸略大于多孔片状固定器的四分之一圆形缺口卡套，这样设置能保证多孔片状固定器与实验方腔侧壁以及底部相切，并且安装稳定牢固。
优选地，透空束状绕流式奇点影响消除装置与沿驱动方向的实验方腔两侧靠壁面的角落、驱动装置及方腔侧壁相切。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、通过透空束状绕流式奇点影响消除装置对奇点附近流体进行绕流偏转，弱化了该部分流体在实验方腔侧壁与驱动装置接触位置处速度间断的影响以消除速度奇点的影响，减少对方腔环流实验的不确定性影响。
2、采用可装配式的多孔片状固定器和连接卡套装置搭配，可设计一系列不同多孔密度、透空孔分布的多孔片状固定器并配套不同数目的连接卡套装置，针对不同雷诺数、不同流速、不同强度的方腔驱动流进行调配，选用参数适宜的多孔绕流装置针对性地、有效地消除速度奇点对方腔环流实验的影响。
3、采用与实验方腔搭配的注水补水装置，确保实验方腔内水量充足，实验水体与实验方腔顶部不存在间隙；由于注水补水装置通过方腔顶部中心的小孔以极慢的流速向实验方腔内补水，且从顶部中心流动不敏感位置进入，对方腔环流实验扰动极小。
附图说明
图1为本实施例一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置的结构示意图。
图2为本实施例一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置的结构主视图。
图3为本实施例一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置的结构左视图。
图4为本实施例一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置的透空束状绕流式奇点影响消除装置的结构主视图。
图5为本实施例一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置的透空束状绕流式奇点影响消除装置的结构示意图。
图6为本实施例一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置的单个连接卡套装置的结构示意图。
图7为本实施例一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置的多孔片状固定器的示意图。
图8为本实施例一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置的多孔片状固定器的主视图。
图9为本实施例一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置的多孔片状固定器上弹性丝穿插绕接示意图，其中箭头为弹性丝穿插绕接方向。
附图标识：实验方腔1；驱动装置2；透空束状绕流式奇点影响消除装置3；注水补水装置4；多孔片状固定器5；弹性丝6；连接卡套装置7。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明的可能省略是可以理解的。
实施例
如图1至图3所示，本实施例提供一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，包括实验方腔1、驱动装置2及透空束状绕流式奇点影响消除装置3；驱动装置2位于实验方腔1底部紧贴实验方腔1内水体并用于驱动水体流动；透空束状绕流式奇点影响消除装置3设于实验方腔1底部沿驱动方向的两侧靠壁面处，并对奇点附近流体进行绕流偏转以消除实验方腔1角点处速度间断的影响。
本发明通过透空束状绕流式奇点影响消除装置3对奇点附近流体进行绕流偏转，弱化了该部分流体在实验方腔1侧壁与驱动装置2接触位置处速度间断的影响以消除速度奇点的影响，减少对方腔环流实验的不确定性影响。
其中，还包括设于实验方腔1顶部的注水补水装置4，注水补水装置4与实验方腔1顶部通过小孔连通。方腔环流实验前通过注水补水装置4进行注水使实验方腔1内充满实验流体，方腔环流实验中需要补水时以极慢的流速从小孔向实验方腔1内补水，进而确保实验方腔1内水量充足，水体与实验方腔1顶部不存在空隙。
本实施例中，注水补水装置4与实验方腔1顶部中心通过小孔连通，且小孔直径不超过实验方腔1长度的1/50。小孔尺寸很小且位于实验方腔1顶部中心，并且补水流速极慢，几乎不对水体产生扰动，对实验误差极小。
另外，驱动装置2包括电机、三个轴承及皮带，电机用于驱动轴承转动，皮带包覆于三个轴承上；皮带位于实验方腔1底部紧贴实验方腔1内水体。从实验方腔1底部对实验方腔1内水体进行驱动，保证驱动皮带与水体之间不存在空隙。
其中，如图4至图5所示，透空束状绕流式奇点影响消除装置3包括多孔片状固定器5、弹性丝6及连接卡套装置7，多个多孔片状固定器5共轴等间隔排布且其轴线方向与驱动方向垂直，连接卡套装置7用于将多孔片状固定器5安装于实验方腔1底部，多孔片状固定器5上设有多个透空孔，弹性丝6依次穿插每个多孔片状固定器5上对应的透空孔以形成透空束状结构，且透空束状结构所在方向与驱动方向垂直。多孔片状固定器5排布时所有的多孔片状固定器5上的透空孔前后相对应；多孔片状固定器5直径、厚度应远小于实验方腔1的几何尺寸，减少对实验方腔1主要流场的影响；如图7至图8所示，透空孔均匀并中心对称地分布于多孔片状固定器5上，透空孔尺寸与弹性丝6尺寸匹配；弹性丝6绷紧形成整体为细长圆柱体形状的透空束状结构，且每隔小段距离用多孔片状固定器5以加固，使其具有很好的刚性和弹性，流体流过透空束状绕流式奇点影响消除装置3时进行流体绕流、速度分解，但能量几乎不减少，弱化了该部分流体在实验方腔1侧壁与驱动装置2接触位置处速度间断的影响以消除速度奇点的影响，减少对方腔环流实验的不确定性影响。
本实施例中，多孔片状固定器5为多孔钢片固定器；弹性丝6为一根直径不超过0.3mm的高强度不锈钢钢丝，并反复依次穿插每个多孔片状固定器5上对应的透空孔以形成透空束状结构。步骤1、一根不锈钢钢丝穿过第一个多孔片状固定器5上一个透空孔后，接着穿插进入第二个多孔片状固定器5上对应的一个透空孔……穿插进入最后一个多孔片状固定器5上对应的一个透空孔；步骤2、穿出后绕接最后一个多孔片状固定器5上相邻的一个透空孔，接着穿插进入倒数第二个多孔片状固定器5上对应的一个透空孔……穿插进入第一个多孔片状固定器5上对应的一个透空孔；反复按照这两个穿插步骤穿插完所有的多孔片状固定器5上所有的透空孔后固定弹性丝6末端结点即可形成透空束状结构，如图9所示。
另外，首尾两个多孔片状固定器5嵌入实验方腔1的壁面内，连接卡套装置7用于将除首尾两个多孔片状固定器5外的其余多孔片状固定器5安装于实验方腔1底部；且多孔片状固定器5的直径远小于实验方腔1的宽度。
若驱动装置2驱动速度增大或应用于更大尺度的实验方腔1，可以增加多孔片状固定器5和对应连接卡套装置7的数量，以保证弹性丝6足够绷紧，细长圆柱体形状的透空束状结构几乎不会形变。多孔片状固定器5上的透空孔数量及排布可以进行一系列设计，成为针对不同工况实验的可调控元件。弹性丝6直径应不超过0.3mm，以保证对流体的扰动作用几乎不消耗流体的能量。
其中，连接卡套装置7与多孔片状固定器5榫卯嵌套连接。榫卯嵌套连接是在两个构件上采用凹凸部位相结合的一种连接方式，凸出部分叫榫，凹进部分叫卯，利用卯榫加固物件，在物件上不使用钉子，这样设置便于两者的固定连接。
另外，连接卡套装置7为圆形卡口结构。如图6所示，连接卡套装置7为尺寸略大于多孔片状固定器5的四分之一圆形缺口卡套，这样设置能保证多孔片状固定器5与实验方腔1侧壁以及底部相切，并且安装稳定牢固。
本实施例中，透空束状绕流式奇点影响消除装置3与沿驱动方向的实验方腔1两侧靠壁面的角落、驱动装置2及实验方腔1侧壁相切。
不妨设实验方腔1尺寸为50cm×50cm×50cm，由高质量有机玻璃制成；注水补水装置4与实验方腔1顶部以5mm直径的小孔连通；驱动皮带宽为52cm略宽于实验方腔1尺寸，位于实验方腔1底部紧贴实验水体，从实验方腔1底部对实验水体进行驱动，如图1至图3所示。
多孔片状固定器5直径为1cm，厚度为1mm，远小于实验方腔1的几何尺寸，且均匀并中心对称地分布着多个孔径为0.2mm的透空孔；对应的多个连接卡套装置7为尺寸略大于多孔片状固定器5的四分之一圆形缺口卡套，其中心间隔10cm摆放，第一个多孔片状固定器5与第六个多孔片状固定器5不与连接卡套装置7连接，而是直接嵌入实验方腔1前后有机玻璃壁面，如图4-8所示；直径为0.2mm的一根完整的高强度不锈钢弹性丝6通过多孔片状固定器5的透空孔进行反复穿插缠绕，穿插绕接方式如图9所示；形成直径为1cm，长为50.1cm的细长圆柱体多孔透空结构，如图5所示；透空束状绕流式奇点影响消除装置3通过连接卡套装置7组装在实验方腔1左下角及右下角，首尾的多孔片状固定器5嵌入实验方腔1的前后有机玻璃壁面，其中轴线垂直于实验方腔1的前后壁面。整体实验装置示意图如图1所示。
方腔环流实验前，通过注水补水装置4向实验方腔1注水至水量充足，实验方腔1顶部与实验流体之间不存在空隙；实验中，需要补水时，注水补水装置4通过与实验方腔1顶部中心连通的小孔缓慢注水保证实验方腔1内水量充足，实验水体与实验方腔1顶部不存在间隙。
实验时启动电机，驱动皮带以恒定速度从左往右匀速运动，因与实验方腔1底部流体接触的粘滞效应拖动流体运动；显然，在此示例中驱动皮带驱动底部流体运动的方向是水平向右，与透空束状绕流式奇点影响消除装置3的中轴线方向垂直。在皮带驱动底部流体流动以后，实验方腔1内的流体因底部流体驱动而产生绕实验方腔1中心的大范围流动，实验方腔1内底部被驱动装置2驱动，具有较高的流速，然而在侧壁边界上由于紧靠边界，流体流速为零。被驱动皮带驱动的大部分底部流体在实验方腔1左上角附近受靠壁面的静止流体作用后偏转向上，成为驱动整个实验方腔1内流体运动的动力，少部分底部高速流体直接流向右侧壁棱角奇点；当底部被驱动的高速流体运动至靠近右侧壁棱角时，高速流体进入透空束状绕流式奇点影响消除装置3。由于透空束状绕流式奇点影响消除装置3以高强度不锈钢弹性丝6绷紧拉直，并每隔小段距离用多孔片状固定器5以加固，因此结构具有很好的刚性和弹性，流体流过透空束状绕流式奇点影响消除装置3时发生绕流，但能量几乎不减少。弱化了该部分流体在实验方腔1侧壁与驱动装置2接触位置处速度间断的影响以消除速度奇点的影响，减少对方腔环流实验的不确定性影响。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应被包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，包括实验方腔(1)、驱动装置(2)及透空束状绕流式奇点影响消除装置(3)；驱动装置(2)位于实验方腔(1)底部紧贴实验方腔(1)内水体并用于驱动水体流动；透空束状绕流式奇点影响消除装置(3)设于实验方腔(1)底部沿驱动方向的两侧靠壁面处，并对奇点附近流体进行绕流偏转以消除实验方腔(1)角点处速度间断的影响；透空束状绕流式奇点影响消除装置(3)包括多个多孔片状固定器(5)、弹性丝(6)及连接卡套装置(7)，连接卡套装置(7)用于将多孔片状固定器(5)安装于实验方腔(1)底部，多孔片状固定器(5)上设有多个透空孔，弹性丝(6)依次穿插每个多孔片状固定器(5)上对应的透空孔以形成透空束状结构，且透空束状结构所在方向与驱动方向垂直。
2.根据权利要求1所述的一种高 精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，还包括设于实验方腔(1)顶部的注水补水装置(4)，注水补水装置(4)与实验方腔(1)顶部通过小孔连通。
3.根据权利要求2所述的一种高 精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，注水补水装置(4)与实验方腔(1)顶部中心通过小孔连通，且小孔直径不超过实验方腔(1)长度的1/50。
4.根据权利要求1所述的一种高 精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，驱动装置(2)包括电机、三个轴承及皮带，电机用于驱动轴承转动，皮带包覆于三个轴承上；皮带位于实验方腔(1)底部紧贴实验方腔(1)内水体。
5.根据权利要求1所述的一种高 精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，多个多孔片状固定器(5)共轴等间隔排布且其轴线方向与驱动方向垂直。
6.根据权利要求1所述的一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，多孔片状固定器(5)为多孔钢片固定器；弹性丝(6)为一根直径不超过0.3mm的不锈钢钢丝，并反复依次穿插每个多孔片状固定器(5)上对应的透空孔以形成透空束状结构。
7.根据权利要求1所述的一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，首尾两个多孔片状固定器(5)嵌入实验方腔(1)的壁面内，连接卡套装置(7)用于将除首尾两个多孔片状固定器(5)外的其余多孔片状固定器(5)安装于实验方腔(1)底部；且多孔片状固定器(5)的直径远小于实验方腔(1)的宽度。
8.根据权利要求1所述的一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，连接卡套装置(7)与多孔片状固定器(5)榫卯嵌套连接。
9.根据权利要求1所述的一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，连接卡套装置(7)为圆形卡口结构。
10.根据权利要求9所述的一种高精度透空束状消除速度奇点影响的方腔环流实验装置，其特征在于，透空束状绕流式奇点影响消除装置(3)与沿驱动方向的实验方腔(1)两侧靠壁面的角落、驱动装置(2)及方腔侧壁相切。
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